DE4427360B4

DE4427360B4 - Internally cooled blade of a turbine rotor blade of a gas turbine engine

Info

Publication number: DE4427360B4
Application number: DE4427360A
Authority: DE
Inventors: Robert J. North Palm Beach Kildea
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: FR2723396A1; GB2291935B; US5476364A; DE4427360A1; FR2723396B1; GB9415591D0; GB2291935A

Abstract

Innengekühltes Blatt (16) einer Turbinenrotorschaufel (10) eines Gasturbinenmotors, mit
– einer Kopffläche (32), einer voreilenden Kante (20), einer nacheilenden Kante (22) und einer Druckseite (18),
– einer ringförmigen Abdeckung, die konzentrisch um die Blätter angeordnet ist und mit der Kopffläche (32) einen Spalt (48) begrenzt,
– einem inneren Durchlass (52) zum Leiten von Kühlluft zu Auslässen (30), die benachbart zur Kopffläche (32) des Blattes (16) im Bereich der Druckseite (18) ausgebildet sind und einen Kühlluftstrahl (42) unter einem gegebenen Winkel (C) abgeben,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Auslässe (30) in dem Übergang zwischen der Druckseite (18) und der Kopffläche (32) in einer Ausnehmung (36) mündet, welch letztere sich von der Druckseite (18) in Richtung der Saugseite (24) bis zur saugseitigen Wand des Auslasses und, gesehen in der Richtung von der voreilenden Kante (20) zur nacheilenden Kante (22), im Wesentlichen über die gesamte Breite des betreffenden Auslasses...An internally cooled blade (16) of a turbine rotor blade (10) of a gas turbine engine, with
A head surface (32), a leading edge (20), a trailing edge (22) and a pressure side (18),
An annular cover concentrically arranged around the blades and defining a gap (48) with the head surface (32),
An inner passage (52) for directing cooling air to outlets (30) formed adjacent to the top surface (32) of the blade (16) in the region of the pressure side (18) and a cooling air jet (42) at a given angle (C ) submit,
characterized in that each of the outlets (30) in the transition between the pressure side (18) and the head surface (32) in a recess (36) opens, which latter from the pressure side (18) in the direction of the suction side (24) to to the suction-side wall of the outlet and, viewed in the direction from the leading edge (20) to the trailing edge (22), substantially over the entire width of the outlet in question ...

Description

Die Erfindung betrifft ein innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel eines Gasturbinenmotors, mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.The The invention relates to an internally cooled Blade of a turbine rotor blade of a gas turbine engine, with the specified in the preamble of claim 1 features.

Auf dem Gebiet der Gasturbinenmotortechnik ist es bekannt, dass große Anstrengungen unternommen wurden, um die Maschinennutzleistung zu verbessern, indem versucht wird, das Spiel des Spaltes zwischen der äußeren Luftdichtung und dem Kopf der Turbinenschaufel über den vollen Bereich des Maschinenbetriebs auf einem Minimum zu halten. Im Laufe der Jahre wurden zur Erreichung dieses Ziels eine Vielzahl von Erfindungen gemacht und Konzepte entwickelt, um den Spalt passiv oder aktiv genau zu steuern.On In the field of gas turbine engine technology, it is known that great efforts have been undertaken to improve machine performance, by trying the game of the gap between the outer air seal and the head of the turbine blade over the full range of engine operation to keep to a minimum. Over the years have been reaching This goal made a variety of inventions and concepts designed to passively or actively control the gap accurately.

Bis zu einem gewissen Grad haben sich viele dieser Erfindungen und Konzepte als erfolgreich erwiesen. Wegen des zunehmenden Bedarfs an Antriebs- und Fluggerätenutzleistung, ist das Problem jedoch immer schwieriger geworden. Die Lösung des Problems wird außerdem durch die Art der Auslegung des Fluggeräts und/oder des Antriebs sowie seine spezielle Bestimmung geprägt. Was beispielsweise für ein Zivilflugzeug zufriedenstellend ist, ist meist für ein Militärflugzeug, insbesondere für ein Kampfflugzeug, nicht zufriedenstellend.To To some extent, many of these inventions and concepts have become proved successful. Because of the increasing demand for propulsion and aircraft performance, However, the problem has become more and more difficult. The solution of the problem will also by the type of design of the aircraft and / or the propulsion and its special provision coined. What for example a civil aircraft is satisfactory, is mostly for a military aircraft, especially for a fighter, unsatisfactory.

Ein innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel eines Gasturbinenmotors und mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus der US 5 261 789 A bekannt. Dieses Blatt hat auf der Druckseite, radial einwärts beabstandet von der Kopffläche, eine zur Kopfflächenkante parallele Stufe. In der Kehle dieser Stufe und in erheblichem Abstand von der Kopffläche des Blattes münden unter einem Winkel Kühlluftauslässe, deren Durchmesser wesentlich kleiner als die Höhe und die Breite der Stufe ist.An internally cooled blade of a turbine rotor blade of a gas turbine engine and having the features of the preamble of claim 1 is known from US 5 261 789 A known. This sheet has on the pressure side, radially inwardly spaced from the top surface, a parallel to the top surface edge stage. In the throat of this stage and at a considerable distance from the top surface of the sheet open at an angle cooling air outlets whose diameter is substantially smaller than the height and the width of the step.

Eine ähnliche Konstruktion ist aus der GB 2 105 415 A bekannt, mit dem Unterschied, dass die Kühlluftauslässe nicht unter einem Winkel sondern radial gerichtet sind und, teilweise unmittelbar in der Kopffläche mündend, die Kühlluft in den gegen die Verbrennungsgase abzudichtenden Spalt drücken, mit der Folge, dass die heißesten Teile des Blattes am schlechtesten gekühlt sind.A similar construction is from the GB 2 105 415 A known, with the difference that the cooling air outlets are not directed at an angle but radially and, partially opening directly in the head surface, press the cooling air in the gap to be sealed against the combustion gases, with the result that the hottest parts of the sheet cooled the worst are.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel zu schaffen, dessen Kühlluftauslässe besser als bisher gegen Verschmutzung, Verstopfen und/oder Zusetzen der Kühlluftauslässe geschützt ist.Of the Invention is based on the object, a generic internally cooled sheet a turbine rotor blade whose cooling air outlets better than previously against pollution, clogging and / or clogging of Cooling air outlets is protected.

Diese Aufgabe ist bei einem solchen innengekühlten Blatt durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.These Task is with such an internally cooled sheet by the in the plate of claim 1 given characteristics.

Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass die Auslässe einen Kühlluftstrom in den Spalt zwischen der äußeren Luftdichtung und dem Kopf des Blattes ausströmen lassen.By This design ensures that the outlets allow a flow of cooling air into the gap between the outer air seal and the head of the leaf to let.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 1 bis 4 angegeben.advantageous embodiments are in the claims 1 to 4 indicated.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigt:following the invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawing; it shows:

1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenrotor schaufel für einen Gasturbinenmotor gemäß der Erfindung; 1 a perspective view of a turbine rotor blade for a gas turbine engine according to the invention;

2 eine Aufsicht der in 1 gezeigten Schaufel; 2 a supervision of in 1 shown blade;

3 eine Schnitt-Teilansicht entlang den Linien 3-3 von 2; 3 a sectional partial view along the lines 3-3 of 2 ;

4 eine Schnitt-Teilansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und 4 a sectional partial view of another embodiment of the invention, and

5 eine Endansicht des Turbinenbereichs ohne die Auslässe und die Ausnehmungen in den Turbinenrotorschaufeln. 5 an end view of the turbine area without the outlets and the recesses in the turbine rotor blades.

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den 1 bis 3, die eine Turbinenrotorschaufel 10 zeigen, die einen Fußbereich 12, eine Plattform 14 und ein Blatt 16 hat. Typischerweise von einem (nicht gezeigten) Verdichterbereich herangeführte Luft wird innerhalb der Schaufel 10 in das Bodenende des Fußbereichs 12 geleitet und in den Gasweg durch die Luftauslasslöcher, wie beispielsweise die Duschkopf- und Filmkühllöcher (nicht gezeigt) ausgelassen. Da diese Erfindung in erster Linie mit den Kopfdichtungs- und Kühllöchern befasst ist, wird die Beschreibung der Einfachheit halber auf diesen Bereich der Schaufel beschränkt. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf die US-PS 4 257 737 und die US-PS 4 753 575 verwiesen. Diese beiden Patente und deren Offenbarungsgehalt bilden einen Teil der vorliegenden Anmeldung. Das Blatt 16 hat eine Druckseite 18, eine voreilende Kante 20, eine nacheilende Kante 22, eine Kopffläche 32 und eine Saugseite 24, die sich gegenüber der Druckseite des Blatts befindet.A better understanding of the present invention will be apparent from the 1 to 3 holding a turbine rotor blade 10 show a foot area 12 , a platform 14 and a leaf 16 Has. Air typically supplied by a compressor section (not shown) will be within the blade 10 into the bottom end of the foot area 12 and discharged into the gas path through the air outlet holes such as the shower head and film cooling holes (not shown). Since this invention is primarily concerned with the head gasket and cooling holes, the description will be limited to this area of the blade for the sake of simplicity. For further details, see U.S. Patent 4,257,737 and U.S. Patent 4,753,575. These two patents and their disclosure content form part of the present application. The leaf 16 has a print page 18 , a leading edge 20 , a trailing edge 22 , a head area 32 and a suction side 24 , which is located opposite the print side of the sheet.

Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst der Kopf der Schaufel eine Mehrzahl beabstandeter Auslässe 30, die pro filsehnenartig von der voreilenden Kante 20 zur nacheilenden Kante 22 verlaufen. Beim Stand der Technik verlaufen diese Auslässe von einem inneren Kühldurchlass zum Kopfbereich und enden bündig mit der Kopffläche 32. Gemäß der Erfindung ist eine Ausnehmung 36 mit gewissen kritischen Abmessungen und Beschränkungen in der Kopffläche 32 im Bereich jedes Auslasses 30 ausgebildet. Da sämtliche Ausnehmungen und ihre Kriterien relativ zu den Auslässen 30 identisch sind, werden nachfolgend zur Vereinfachung lediglich ein Auslass und eine Ausnehmung erläutert.As in the 2 and 3 As shown, the head of the blade includes a plurality of spaced outlets 30 , which per filsehnenartig of the leading edge 20 to the trailing edge 22 run. In the prior art, these outlets extend from an inner cooling passage to the head region and terminate flush with the head surface 32 , According to the Invention is a recess 36 with certain critical dimensions and limitations in the head area 32 in the area of each outlet 30 educated. Because all the recesses and their criteria relative to the outlets 30 are identical, only one outlet and a recess are explained below for simplicity.

Wie in den 3 und 5 gezeigt, verläuft die Ausnehmung 36 von der Kante der Druckseite 18 zur Saugseite 24 hinauf zur Rückwand 40 des Auslasses 30. Die Ausnehmung 36 verläuft in der anderen Richtung von der voreilenden Kante 20 zur nacheilenden Kante 22 im wesentlichen über die gesamte Breite des Auslasses 30. Für die Ausnehmung 36 gibt es kritische Beschränkungen. Unter gewissen Bedingungen muss der Auslassluftstrom oder -strahl 42 aus dem Auslass 30 berücksichtigt werden. Betrachtet in der Querschnittsebene durch den Luftstrahl 42 ist der Auslass 30 derart angeordnet, dass der äußere Rand in den Begrenzungen enthalten ist, die durch den Spalt 48 und die Verlängerung der Druckseite 18 bestimmt sind. Die den Luftstrahl bezeichnenden Linien sind lediglich aus Veranschaulichungsgründen gewählt, da die Luft auf die äußere Luftdichtung 50 (s. 5) trifft. Obwohl die mit dem Buchstaben A bezeichnete Tiefe der Ausnehmung 36 nicht als kritisch betrachtet wird, sollte sie zumindest fünfundsiebzig Prozent (75 %) der mit dem Buchstaben B bezeichneten Dicke des Auslasses 30 betragen.As in the 3 and 5 shown, the recess runs 36 from the edge of the printed page 18 to the suction side 24 up to the back wall 40 the outlet 30 , The recess 36 runs in the other direction from the leading edge 20 to the trailing edge 22 essentially over the entire width of the outlet 30 , For the recess 36 there are critical limitations. Under certain conditions, the outlet air flow or jet must be 42 from the outlet 30 be taken into account. Viewed in the cross-sectional plane through the air jet 42 is the outlet 30 arranged such that the outer edge is contained in the boundaries passing through the gap 48 and the extension of the pressure side 18 are determined. The air jet designating lines are chosen for illustrative purposes only, as the air is directed to the outer air seal 50 (S. 5 ) meets. Although the depth of the recess indicated by the letter A 36 is not considered critical, it should be at least seventy-five percent (75%) of the thickness of the outlet indicated by the letter B. 30 be.

Es ist wichtig, dass die Oberfläche 40 des Auslasses 30 unter einem Winkel zur Kopffläche 32 verläuft. Der Winkel, den die Oberfläche 40 mit der Kopffläche 32 einschließt und der mit dem Buchstaben C bezeichnet ist, sollte so gewählt sein, dass die aerodynamische Abdichtung maximiert ist, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen und dadurch die Motornutzleistung zu optimieren.It is important that the surface 40 the outlet 30 at an angle to the head surface 32 runs. The angle that the surface 40 with the head surface 32 and designated by the letter C should be chosen so that the aerodynamic seal is maximized to increase turbine efficiency and thereby optimize engine efficiency.

Gemäß der Erfindung ist der Winkel C, der zur Optimierung der Motornutzleistung auszulegen ist, größer als der Winkel bei den bekannten Konstruktionen, die keine Ausnehmung 36 umfassen. Wesentlich ist, dass durch Erhöhen des optimalen Winkels C im Bereich der voreilenden Kante eine bessere Funktion erreicht wird, wo der Winkel C vergrößert werden muss, damit der Auslass 30 den inneren Kühldurchlass 52 schneidet, der sich in Fluidkommunikation mit dem Auslass 30 befindet. Es wird erwartet, dass der innere Kühldurchlass 52, der eine Quelle für Kühldruckluft ist, die Funktion dieses Merkmals im Bereich der voreilenden Kante auf die örtliche Toleranz unempfindlich macht.According to the invention, the angle C, which is to be interpreted to optimize the engine efficiency, greater than the angle in the known constructions, the no recess 36 include. It is essential that by increasing the optimum angle C in the area of the leading edge a better function is achieved, where the angle C must be increased, so that the outlet 30 the inner cooling passage 52 which is in fluid communication with the outlet 30 located. It is expected that the inner cooling passage 52 , which is a source of cooling compressed air, makes the function of this feature insensitive to the local tolerance in the area of the leading edge.

Die Gründe, weshalb der optimale Winkel C für die Löcher 30 erfindungsgemäß größer sein soll, ergeben sich auf Folgendem: Erstens dadurch, dass die Druckseite des Luftstrahls 42 dem hohen statischen Druck auf der Druckseite des Blatts ausgesetzt ist, wird ein zusätzlicher Strom hereingezogen und durch den Strahl 42 beschleunigt. Da diese Luft bei größeren Winkeln einen größeren „Zutritt" hat, führt dies dazu, dass der optimale Winkel ein größerer Winkel sein kann.The reasons why the optimal angle C for the holes 30 According to the invention, the result is as follows: First, by subjecting the pressure side of the air jet 42 to the high static pressure on the pressure side of the blade, an additional flow is drawn in and through the jet 42 accelerated. Since this air has greater "access" at larger angles, this results in the optimum angle being able to be a larger angle.

Zweitens vermag ein Hohlraum, wie die in 4 gezeigte Ausnehmung 36', die im vorstehenden Absatz beschriebene Wirkung zu verstärken und den optimalen Winkel C zu vergrößern (die Luft hat dadurch einen noch größeren Zutritt). Es ist jedoch zu bemerken, dass die Konfiguration in 4 durch die Erwärmung der Fläche 56' begrenzt sein könnte, da die zusätzliche Luft eine Luft aus dem Gasweg ist, die eine sehr viel höhere Temperatur als die Luft des Strahls 42 hat.Second, a cavity, like the one in 4 shown recess 36 ' to increase the effect described in the preceding paragraph and to increase the optimal angle C (the air thus has an even greater access). It should be noted, however, that the configuration in 4 by heating the area 56 ' could be limited because the extra air is an air from the gas path, which is a much higher temperature than the air of the jet 42 Has.

Drittens tritt auf den Schaufeln, die sich im Reibeingriff mit der äußeren Luftdichtung 50 (3 und 5) befunden haben, eine stärkere Dichtung auf, da eine Reibung über dem Auslass eine dünne „Rippe" an Material hinterläßt. Anstatt den Strahl 42 zu blockieren, lenkt diese „Rippe" den Strahl 42 zu einem kleineren effektiven Winkel C ab (der näher am optimalen Winkel liegt).Third, occurs on the blades, which frictionally engage with the outer air seal 50 ( 3 and 5 ) has a stronger seal, as friction over the outlet leaves a thin "ridge" of material instead of the jet 42 To block, this "rib" directs the beam 42 to a smaller effective angle C (which is closer to the optimum angle).

Die Erfindung bezweckt, dass der Winkel der Fläche 56' relativ zu dem Auslass 30 vergrößert wird, wie in 4 gezeigt, um die Nutzleistung zusätzlich zu vergrößern. Um jedoch innerhalb der vorstehend genannten Beschränkungen der kritischen Abmessungen zu bleiben, ist die Tiefe der Ausnehmung 36' dieselbe wie in 3. Die Tiefe wird jedoch an einer Ebene gemessen, die durch die Verbindung verläuft, wo die Ausnehmung 36' den Auslass 30 parallel zur Fläche 32 schneidet (gleiche Bezugsziffern bezeichnen in sämtlichen Figuren jeweils identische Elemente). Der Verbindungspunkt ist mit dem Buchstaben D bezeichnet, und diese Abmessung ist durch die mit dem Buchstaben E bezeichneten Pfeile dargestellt.The invention aims that the angle of the surface 56 ' relative to the outlet 30 is enlarged, as in 4 shown to increase the net power in addition. However, to remain within the above-mentioned limitations of critical dimensions, the depth of the recess is 36 ' same as in 3 , However, the depth is measured at a plane passing through the connection where the recess 36 ' the outlet 30 parallel to the surface 32 cuts (like reference numbers indicate identical elements throughout the figures). The connection point is designated by the letter D, and this dimension is represented by the arrows denoted by the letter E.

Die Ausnehmung 36 (3) und die Ausnehmung 36' (4) werden durch eine geeignete und bekannte elektrische Entladungsmaschine (EDM) hergestellt, die üblicherweise zum Lochbohren verwendet wird. Um die Größe und die Form dieser Ausnehmungen zu erzeugen, ist die Elektrode der EDM-Maschine in bekannter Weise entsprechend geformt. Bei derzeitigen Konstruktionen sind die Auslässe 30, wie gezeigt, als Schlitze ausgebildet, und in der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Auslässe" und „Schlitze" austauschbar verwendet. Ein wesentlicher Punkt ist, dass zur Erreichung der gewünschten Leistung die Schlitze bei bisherigen Konstruktionen eine Länge von im wesentlichen 1,27 mm (0,050 Inch) haben müssen, um vollständig in der Kopffläche und sehr nahe an der Druckseite durchzutreten. Dies erforderte einen schwer durchzuführenden Herstellungsvorgang und führte deshalb zu einem Herstellungsproblem. Die Erfindung vermindert dieses Problem weitgehend.The recess 36 ( 3 ) and the recess 36 ' ( 4 ) are produced by a suitable and known electric discharge machine (EDM), which is commonly used for hole drilling. In order to produce the size and shape of these recesses, the electrode of the EDM machine is correspondingly shaped in a known manner. In current designs, the outlets are 30 , as shown, are formed as slots, and in the present description the terms "outlets" and "slots" are used interchangeably. A key point is that in order to achieve the desired performance, the slots in previous designs must be substantially 1.27 mm (0.050 inches) in length to fully pass in the top surface and very close to the pressure side. This required a difficult to perform manufacturing process and therefore led to a manufacturing problem. The invention substantially reduces this problem.

Durch die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden neben anderen die folgenden Verbesserungen erzielt:

1. Die Wahrscheinlichkeit, dass Kopfauslässe durch Schmiermaterial infolge von Schaufelkopfreibung verstopft werden, wird minimiert, wodurch sichergestellt ist, dass die Dichtungs- und Kühleigenschaften der Auslässe erhalten bleiben.
2. Die Herstellbarkeit der Auslässe wird durch Unempfindlichmachen des Leistungszuwachses in Bezug auf die Toleranz der Auslassposition relativ zur Druckseite des Blatts verbessert.
3. Die Kopfdichtungsfunktion wird verbessert, wenn der Winkel C (3) aufgrund von räumlichen Beschränkungen vergrößert werden muss.
4. Kopfdichtungsauslasskonfigurationen lassen sich leichter herstellen, wenn die Schaufelkopfoberflächen mit schleifendem Material überzogen sind, das ein Problem beim Bohren von EDM-Löchern und/oder beim Abdecken der Auslässe hervorruft, wenn sie gebohrt werden.

The preferred embodiments of the invention provide, among others, the following improvements:

1. The likelihood of plugging the head outlets by lubricating material due to blade head friction is minimized, ensuring that the sealing and cooling characteristics of the outlets are maintained.
2. The manufacturability of the outlets is improved by rendering the performance increase in terms of tolerance of the outlet position relative to the pressure side of the sheet insensitive.
3. The head sealing function is improved when the angle C ( 3 ) must be increased due to spatial restrictions.
4. Head seal outlet configurations are easier to fabricate when the blade head surfaces are coated with abrasive material that creates a problem in drilling EDM holes and / or covering the outlets as they are being drilled.

Claims

Internally cooled sheet ( 16 ) a turbine rotor blade ( 10 ) of a gas turbine engine, having - a head surface ( 32 ), a leading edge ( 20 ), a trailing edge ( 22 ) and a print page ( 18 ), - an annular cover, which is arranged concentrically around the leaves and with the head surface ( 32 ) a gap ( 48 ), - an internal passage ( 52 ) for conducting cooling air to outlets ( 30 ) adjacent to the head area ( 32 ) of the leaf ( 16 ) in the area of the pressure side ( 18 ) are formed and a cooling air jet ( 42 ) at a given angle (C), characterized in that each of the outlets (C) 30 ) in the transition between the printing side ( 18 ) and the top surface ( 32 ) in a recess ( 36 ), which latter emerges from the pressure side ( 18 ) in the direction of the suction side ( 24 ) to the suction side wall of the outlet and, seen in the direction of the leading edge ( 20 ) to the trailing edge ( 22 ), essentially over the entire width of the outlet concerned ( 30 ).

An internally cooled blade of a turbine rotor blade according to claim 1, characterized in that the recesses ( 36 ' ) adjacent to the printing side ( 18 ) a deeper area ( 56 ' ) streamlined in a less deep, to the respective outlet ( 30 ) adjoining area.

An internally cooled blade of a turbine rotor blade according to claim 1 or 2, characterized in that the outlet is a slot ( 30 ).

An internally cooled blade of a turbine rotor blade according to claim 3, characterized in that the depth (A) of the recess (A) 36 ) corresponds to at least 75% of the slot thickness (B).